斷裂力學(xué)中的電熱效應(yīng)

前言

金屬材料裂紋止裂與損傷愈合技術(shù)是當(dāng)前航空、航天、船舶、石油工業(yè)、核工業(yè)、供電器械、武器裝備與機(jī)械制造等許多工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用中急需解決的關(guān)鍵問題之一。利用電磁熱效應(yīng)來遏制導(dǎo)體內(nèi)部和表面裂紋的擴(kuò)展，使材料損傷部位愈合，是新穎而又行之有效的方法。近二十年來，隨著科學(xué)的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，延長各種類型結(jié)構(gòu)件及其產(chǎn)品的服務(wù)壽命，提高工作的安全性、可靠性，能夠主動、有效地控制損傷，以避免突然破壞造成災(zāi)難的需要越來越迫切了。斷裂力學(xué)中電熱效應(yīng)的研究，是建立在電磁場與溫度場、機(jī)械場耦合理論基礎(chǔ)上的。理論與實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)向帶有裂紋的金屬導(dǎo)體通人強(qiáng)大脈沖電流時，由于裂紋前緣、材料內(nèi)部損傷部位的電流高度集中，適當(dāng)控制電流強(qiáng)度和作用時間，可使損傷處的金屬熔化形成焊口，提高構(gòu)件的使用壽命，排除工作險情。該技術(shù)可應(yīng)用到含有裂紋、內(nèi)部損傷的各種類型金屬構(gòu)件（如金屬模具、各種管類、軋制及鍛造成型的金屬構(gòu)件）的裂紋止裂和內(nèi)部微裂紋的愈合之中。利用電磁熱效應(yīng)來遏制裂紋的擴(kuò)展，使金屬內(nèi)部損傷部位愈合，在實(shí)際應(yīng)用中的研究是很少見的，但這是斷裂力學(xué)應(yīng)用研究領(lǐng)域中的一個主要發(fā)展方向。與目前采用的幾種止裂方法比較，利用電磁場熱效應(yīng)來遏制裂紋擴(kuò)展和損傷愈合的方法具有很大的優(yōu)越性。一方面，利用通電瞬間電流在裂紋尖端處產(chǎn)生的瞬時集中效應(yīng)進(jìn)行裂紋止裂，對構(gòu)件其他部位不會造成毀壞的同時，裂紋前緣處的曲率半徑增加了2個～3個數(shù)量級，消除了裂紋尖端處的應(yīng)力集中，操作簡便；另一方面，電磁熱效應(yīng)產(chǎn)生的壓應(yīng)力及快速冷卻過程中形成的相變壓應(yīng)力場和白亮層組織，在裂紋前緣形成一層堅韌的屏蔽層，有利于抑制焊口處裂紋的進(jìn)一步發(fā)展。裂紋尖端熔化區(qū)的結(jié)晶組織及其壓力狀態(tài)的變化，將成為影響裂紋止裂效果的一項重要因素；向含有內(nèi)部損傷金屬構(gòu)件通人適當(dāng)強(qiáng)度的電流，能夠使損傷部位愈合，司見具有推廣使用的價值。金屬構(gòu)件裂紋止裂技術(shù)的研究內(nèi)容包括：電磁熱效應(yīng)裂紋止裂和損傷愈合原理的建立；裂紋尖端處溫度場、應(yīng)力場的理論計算；止裂和愈合效應(yīng)與通電電流密度、電壓之間的關(guān)系；裂紋尖端處在通電瞬間溫度場、應(yīng)力場的數(shù)值模擬；電磁熱效應(yīng)裂紋止裂和損傷愈合的實(shí)驗(yàn)實(shí)施方案設(shè)計；超強(qiáng)度脈沖電流電源發(fā)生裝置的設(shè)計與制造；裂紋尖端處止裂后裂尖變鈍，焊口形成的理論計算與數(shù)值分析；裂紋尖端止裂和損傷愈合后金相組織分析。

內(nèi)容概要

本書介紹了對帶有裂紋的金屬構(gòu)件通入超強(qiáng)度脈沖電流的瞬間，裂紋前緣電熱效應(yīng)的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容。其中包括斷裂力學(xué)基礎(chǔ)知識、數(shù)學(xué)與力學(xué)基礎(chǔ)知識，平面問題電熱溫度場的理論分析，平面問題電熱應(yīng)力場的理論分析，空間問題的電熱溫度場與應(yīng)力場的理論分析，斷裂力學(xué)電熱效應(yīng)的數(shù)值模擬研究，跨越加栽電流時電熱效應(yīng)的研究。裂紋前緣電熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究等。這里給出的研究內(nèi)容，可作為電熱效應(yīng)裂紋止裂技術(shù)在工程中應(yīng)用的研究基礎(chǔ)。    本書可供高等院校力學(xué)、物理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)器制造等專業(yè)的教師、研究生、本科生、科研工作者和從事機(jī)械設(shè)計、機(jī)器制造、武器裝備維護(hù)等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員閱讀。

書籍目錄

第0章 緒論  0.1 引言  0.2 電熱效應(yīng)裂紋止裂的基本原理及意義  0.3 斷裂力學(xué)中的電熱效應(yīng)的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀  0.4 斷裂力學(xué)中電熱效應(yīng)的研究進(jìn)展  0.5 本書的主要內(nèi)容  參考文獻(xiàn)第1章 斷裂力學(xué)基礎(chǔ)知識  1.1 斷裂力學(xué)的起源    1.1.1 Griffith理論    1.1.2 Irwin--Orwan對Griffith理論的修正  1.2 裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場    1.2.1 裂紋及其分類    1.2.2 裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力場和位移場  1.3 應(yīng)力強(qiáng)度因子    1.3.1 “無限大”板Ⅰ型裂紋問題    1.3.2 有限寬板的Ⅱ型裂紋問題    1.3.3 “無限大”體內(nèi)埋藏裂紋問題    1.3.4 Ⅱ型、Ⅲ型裂紋的K因子  1.4 線彈性斷裂韌度和斷裂判據(jù)  參考文獻(xiàn)第2章 數(shù)學(xué)、力學(xué)基礎(chǔ)知識  2.1 柯西積分    2.1.1 柯西積分定義    2.1.2 柯西積分的主值    2.1.3 柯西積分的邊值    2.1.4 柯西積分的導(dǎo)數(shù)    2.1.5 計算柯西型積分的一些初等公式  2.2 柯西型積分在解平面彈性理論邊界問題上的應(yīng)用    2.2.1 與映射到半平面上的保角映射有關(guān)的基本公式    2.2.2 第一基本問題對于半平面的解    2.2.3 第二基本問題對于半平面的解  2.3 平面彈性理論邊界問題借助化歸挈合問題的解法    2.3.1 當(dāng)G(t)=1的情形      2.3.2 問題F+=gF-+f的解    2.3.3 當(dāng)g=-l時的情形    2.3.4 在直線邊界上調(diào)和函數(shù)的基本邊界問題  2.4 熱彈性的一些問題    2.4.1 各向同性物體熱彈性的平面問題    2.4.2 半平面的一般公式    2.4.3 半平面的第一類、第二類基本問題的解    2.4.4 半平面混合問題的基本解    2.4.5 裂紋在直線區(qū)段上的基本邊界問題  2.5 帶有裂紋物體的熱彈性平面問題    2.5.1 熱交換的一般條件及裂紋的分類    2.5.2 帶有裂紋和薄夾雜物的熱傳導(dǎo)問題的微積分方程  參考文獻(xiàn)第3章 平面問題電熱溫度場的理論分析  3.1 含中間裂紋薄板電熱溫度場的復(fù)變函數(shù)方法    3.1.1 通電瞬間裂紋尖端的電流分布    3.1.2 熱源功率的計算    3.1.3 帶有直線裂紋的載流薄板溫度場的計算    3.1.4 算例分析  3.2 多裂紋導(dǎo)電薄板電熱溫度場的計算    3.2.1 帶有n個共線裂紋的載流薄板的溫度場    3.2.2 溫度場的求解  3.3 帶有兩個共線裂紋載流薄板的溫度場    3.3.1 載流薄板內(nèi)的電流強(qiáng)度，與電流密度    3.3.2 裂紋尖端熱源功率的計算    3.3.3 載流薄板內(nèi)的溫度場    3.3.4 算例分析  3.4 帶有兩個非共線裂紋載流薄板的溫度場    3.4.1 電流密度的分布及在裂紋尖端處的集中效應(yīng)    3.4.2 求解熱源功率    3.4.3 通電瞬間的溫度場    3.4.4 算例  3.5 帶有曲線裂紋的導(dǎo)電薄板的溫度場    3.5.1 單個曲線裂紋載流薄板的溫度場    3.5.2 兩個對稱曲線裂紋載流薄板的溫度場  3.6 帶有單邊裂紋的導(dǎo)電薄板的溫度場    3.6.1 機(jī)械栽荷作用下單邊裂紋載流薄板溫度場的計算方法  ……第4章 平面問題電熱應(yīng)力場的理論分析第5章 空間電熱止裂問題的理論分析第6章 斷裂力學(xué)電熱效應(yīng)的數(shù)值模擬第7章 跨越加載電流時電熱效應(yīng)研究第8章 裂紋前緣電熱效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)束語

章節(jié)摘錄

插圖：第0章 緒論0.2 電熱效應(yīng)裂紋止裂的基本原理及意義1.電磁熱效應(yīng)裂紋止裂的基本原理眾所周知，向帶有裂紋的導(dǎo)電體內(nèi)通人電流，會伴隨著焦耳熱的產(chǎn)生出現(xiàn)質(zhì)動力的作用。在不考慮質(zhì)動力、電效應(yīng)同變形及溫度場耦合的情況下，由系統(tǒng)的電動力學(xué)方程可確定裂紋前緣附近的電磁場，從而可解得焦耳熱源的分布，再從所建立的帶有熱源的熱傳導(dǎo)方程中求得溫度場的分布。為了達(dá)到良好的止裂效果，通人電流的方向一般應(yīng)垂直裂紋的走向。裂紋的存在導(dǎo)致了電流的繞流和集中。同時，在非導(dǎo)電的裂紋尖端周圍，由于歐姆的損耗使材料加熱。這樣，在電磁場對變形和導(dǎo)熱性的影響只是同焦耳熱的作用有關(guān)的假設(shè)條件下，使得電動力學(xué)方程和熱彈性方程有連續(xù)解。從而，可以得到通電瞬間或者裂紋開裂瞬間電磁場的具體表達(dá)式，由此即可確定非穩(wěn)態(tài)溫度場及裂紋前緣處的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。由于裂紋的存在，引起電流繞流的集中效應(yīng)是非常明顯的。這種效應(yīng)會使裂紋前緣附近小范圍內(nèi)強(qiáng)化加熱，足以達(dá)到使材料熔化的程度。隨著溫度的升高，裂紋前緣處的曲率半徑增大，可達(dá)到2個～3個數(shù)量級，并局部迸發(fā)爆炸形成焊口。這樣，不但減少甚至是消除了裂紋前緣處的應(yīng)力集中，而且在裂紋前緣處會產(chǎn)生相當(dāng)大的熱壓應(yīng)力。這就意味著在制止裂紋擴(kuò)展時，允許利用上述的磁熱效應(yīng)抑制形成裂紋主干線的勢能源，從而達(dá)到止裂的目的。

編輯推薦

《斷裂力學(xué)中的電熱效應(yīng)》是由國防工業(yè)出版社出版的。

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